基于水工模型試驗(yàn)的水庫消能池底流消能體型設(shè)計(jì)研究

陶 濤

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

消能池乃是水工建筑中重要的消能降沖設(shè)施，消能池體型設(shè)計(jì)包括有自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-2]，也包括有池內(nèi)各類挑坎等消能構(gòu)件的設(shè)計(jì)[3-4]。為此，許超等[5]、劉菊蓮[6]從三維滲流場(chǎng)分析入手，借助CFD等數(shù)值仿真方法，開展了消能池結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析，研究池內(nèi)流速、水沙特征，為工程設(shè)計(jì)對(duì)比提供評(píng)價(jià)依據(jù)。當(dāng)然，消能池結(jié)構(gòu)研究不僅在于其自身結(jié)構(gòu)，孟云祥等[7]、海琴[8]開展了溢洪道、消能池的防蝕消能構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)分析，如摻氣坎工藝參數(shù)、挑坎設(shè)計(jì)等，從水面線、時(shí)均壓強(qiáng)以及流速等水力參數(shù)的變化特征，評(píng)判設(shè)計(jì)方案的合理性。研究消能池的滲流場(chǎng)特征也可通過模型試驗(yàn)方法，李爽潔[9]、秦海杰[10]通過建立水工模型，在室內(nèi)開展溢洪道、消能池等水工建筑物模型試驗(yàn)，分析水工模型在室內(nèi)泄流工況下監(jiān)測(cè)獲得的壓強(qiáng)、流速以及流態(tài)等特征，研判水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)合理性與設(shè)計(jì)方案的契合度，有助于豐富工程設(shè)計(jì)參考成果。本文為探討頭屯河水庫消能池底流消能體型設(shè)計(jì)方案，采用水工模型試驗(yàn)，獲得了消能池水力特征及運(yùn)營(yíng)特征，以此綜合評(píng)價(jià)工程設(shè)計(jì)的合理性。

1 研究方法

1.1 工程概況

作為頭屯河流域重要水利樞紐，頭屯河水庫樞紐不僅承擔(dān)著昌吉地區(qū)輸供水、調(diào)洪排泄、通航以及水力發(fā)電功能，也是地區(qū)水生態(tài)調(diào)節(jié)的重要人工樞紐工程。從提升工程運(yùn)營(yíng)及消除故障隱患考慮，管理部門考慮對(duì)其水工建筑物開展重建加固，提升包括主壩、船閘、泄流建筑等在內(nèi)的水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全可靠性，圖1為水庫樞紐主壩、船閘及泄流建筑重建后效果概化圖，該水利樞紐建設(shè)投入運(yùn)營(yíng)后，可在頭屯河梯級(jí)河道上建立起調(diào)節(jié)設(shè)施，年發(fā)電量可達(dá)3000萬kW·h，年可供水資源超過6000萬m3。規(guī)劃對(duì)頭屯河水庫重建的工程包括有船閘以及泄流建筑，船閘按照兩期建設(shè)，一期工程設(shè)計(jì)圍堰導(dǎo)流為555 m3/s，堰頂高程為17.5 m，寬度為5.0 m，配置有鋼板樁圍堰，為船閘的改造重建提供良好防滲、加固環(huán)境。船閘的建設(shè)與泄流建筑溢洪道、消能池等為同期規(guī)劃內(nèi)容，船閘投入運(yùn)營(yíng)與水位升降密切相關(guān)，而溢洪道與消能池乃是泄流重要控制樞紐，船閘施工導(dǎo)流以及防滲結(jié)構(gòu)均應(yīng)滿足泄流要求。

圖1 水庫樞紐及泄流建筑重建后效果概化圖

作為頭屯河水庫重建工程的關(guān)鍵載體，溢洪道采用無壓泄洪洞導(dǎo)流方式，避免與船閘圍堰導(dǎo)流相沖突，其設(shè)計(jì)剖面如圖2所示，進(jìn)水段包括有引水渠、進(jìn)閘段、無壓段以及漸變控制端等。溢洪道進(jìn)水渠漸變段末端為樁號(hào)0+0.000，進(jìn)口段閘室底板高程為16.8 m，長(zhǎng)為15.0 m；在進(jìn)水段后為溢洪道的溢流段，設(shè)置有溢流過渡段階梯與均勻段階梯，總階梯數(shù)量為26級(jí)，溢流總長(zhǎng)為90.5 m；出口消能池段采用底流消能方式，池首與溢流段接觸處設(shè)計(jì)有寬尾墩消能構(gòu)件，而在池尾設(shè)置有護(hù)坦等構(gòu)件，池內(nèi)設(shè)置有高度為0.8 m的挑坎。目前，消能池設(shè)計(jì)仍具有較多待優(yōu)化問題，如消能池的設(shè)計(jì)與船閘圍堰導(dǎo)流的契合度、消能池底流消能方式的體型優(yōu)化等。為此，工程設(shè)計(jì)部門考慮針對(duì)消能池開展結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化試驗(yàn)研究，以提升消能池運(yùn)營(yíng)能力。

1.2 模型試驗(yàn)

為研究頭屯河水庫樞紐重建泄流建筑消能池底流消能結(jié)構(gòu)體型，在室內(nèi)采用相似材料建立溢洪道與消能池物理模型，圖3為該模型簡(jiǎn)化部分附屬水工設(shè)施后的剖面圖。該模型中包括有進(jìn)水段、溢流段、尾坎段以及消能池結(jié)構(gòu)，溢流段坡度為31%，長(zhǎng)度相似比尺為50，消能池主軸長(zhǎng)為5.5 m，而溢流段長(zhǎng)度為15.46 m，消能池寬度為2.6 m，其他結(jié)構(gòu)尺寸均按照模型比尺進(jìn)行換算設(shè)定。按照模型試驗(yàn)要求[9-11]，該模型流速比尺為7.1，而時(shí)間比尺與前者一致，試驗(yàn)中所有結(jié)構(gòu)材料均按照頭屯河水庫實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)制作，如消能池底部泥沙以頭屯河水庫所在場(chǎng)地中值粒徑2.2 mm的砂石制備，溢流面配置有剛性水泥砂漿層，其他剛性材料均設(shè)計(jì)用剛性玻璃，圖4為模型試驗(yàn)中消能池泄流狀態(tài)。試驗(yàn)中流量比尺為18 000，糙率為1.825，模擬試驗(yàn)范圍包括有溢洪道上游至下游消能池出流段。

圖3 溢洪道模型(單位：mm)

水工模型試驗(yàn)分析可靠性很大程度上依賴于模型數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，為此，在圖5所示監(jiān)測(cè)斷面上依次布設(shè)傳感器，溢洪道斷面間距控制在0.35 m，消能池內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面間距為0.5 m，其中消能池監(jiān)測(cè)斷為0.5～7.5 m。水力參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得水流流速、壓強(qiáng)以及水位、水面線以及摻氣濃度值等滲流場(chǎng)水力參數(shù)，間隔0.5 s實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)至中控系統(tǒng)。試驗(yàn)中上游泄流動(dòng)力來源于水泵供水體系，通過矩形量水堰可控制上游泄流量，并在下游消能池尾渠通過水流交換實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)使用。

圖5 監(jiān)測(cè)斷面示意圖

本模型試驗(yàn)中研究重點(diǎn)為消能池底流消能結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)合理性，為此試驗(yàn)中溢洪道沿程斷面溢流臺(tái)階均保持一致，高、寬分別為33.33 mm×24.00 mm，首級(jí)階梯前置有摻氣坎，挑角為10°，過渡段階梯總寬、高分別為100 mm、75 mm。消能池在各方案中都是底流消能，而確保底流消能的關(guān)鍵乃是池內(nèi)底板的布設(shè)高程，故消能池在考慮底部消能的前提下，增設(shè)水平分水墻，寬度為3.0 m，而其高程需根據(jù)消能池邊墻高度上限值12.0 m確定。基于模型試驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)的前提，設(shè)定水平分水墻高度上、下限分別為10.0 m、2.0 m，并依次設(shè)定有高度2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m，以及10.0 m共5個(gè)方案，且設(shè)定有無水平分水墻(高度0 m)的消能池對(duì)照方案，圖6為水平分水墻高度6.0 m時(shí)的底流消能池平、剖面示意。試驗(yàn)工況設(shè)定為泄流量720 m3/s，閘門全開，基于各底流消能方式的模型試驗(yàn)對(duì)比，為評(píng)價(jià)底流消能池體型設(shè)計(jì)合理性提供依據(jù)。

圖6 水平分水墻高度6 m時(shí)的消能池幾何設(shè)計(jì)(示意圖)

2 消能池水力特征

2.1 壓強(qiáng)特征

根據(jù)對(duì)底流消能水平分水墻布設(shè)不同高度消能池模型試驗(yàn)分析，獲得各方案下消能池內(nèi)水力特征，圖7為池內(nèi)沿程斷面動(dòng)水壓強(qiáng)分布變化特征。

圖7 池內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)變化特征

由圖7中動(dòng)水壓強(qiáng)分布變化可知，當(dāng)水平分水墻設(shè)計(jì)高度不同，則池內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)分布變化有所差異。在無水平分水墻時(shí)，池內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)呈穩(wěn)定遞增狀態(tài)，在15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上動(dòng)水壓強(qiáng)平均增幅為3.9%，且其在任一監(jiān)測(cè)斷面上動(dòng)水壓強(qiáng)值均高于其他設(shè)計(jì)方案。當(dāng)水平分水墻高度為4.0 m時(shí)，池內(nèi)沿程斷面上動(dòng)水壓強(qiáng)分布為152.1～245.3 kPa，較之無水平分水墻方案斷面壓強(qiáng)減少了18.6%～55.9%，斷面動(dòng)水壓強(qiáng)均值亦減少了37.7%。當(dāng)水平分水墻高度進(jìn)一步增大至6.0 m后，其動(dòng)水壓強(qiáng)量值水平也進(jìn)一步降低，斷面壓強(qiáng)均值較水平分水墻高度4.0 m、無水平分水墻分別減少了20.6%、50.5%。在水平分水墻高度4.0 m、6.0 m方案內(nèi)，其動(dòng)水壓強(qiáng)均呈“遞增-遞減-穩(wěn)定”三階段變化，較之無動(dòng)水壓強(qiáng)方案具有動(dòng)水壓強(qiáng)的遞減以及穩(wěn)定段，表明消能池內(nèi)水力勢(shì)能得到較好控制，對(duì)底流消能效果較佳。當(dāng)水平分水墻高度為8.0 m、10.0 m時(shí)，相應(yīng)的池內(nèi)斷面壓強(qiáng)均值分別達(dá)113.5 kPa、91.2 kPa，較之水平分水墻高度4.0 m時(shí)減少了42.9%、54.1%，整體上來看，當(dāng)水平分水墻高度每增大2.0 m，則池內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)均值可減少21.9%。另一方面，在水平分水墻高度8.0 m、10.0 m方案內(nèi)，模型試驗(yàn)觀測(cè)到水面出現(xiàn)局部壅流、擾動(dòng)的現(xiàn)象，且其動(dòng)水壓強(qiáng)本質(zhì)上與高度6.0 m方案時(shí)量值差距較小，特別是在池內(nèi)斷面5.0～7.5 m(圖5)后具有二次增幅階段，池內(nèi)整體壓強(qiáng)變化呈“遞增-遞減-二次增幅”，高度8.0 m、10.0 m方案在二次增幅段壓強(qiáng)進(jìn)一步達(dá)到一次遞增階段峰值，不利于消能池尾渠段出水穩(wěn)定性[6-12]，使該類型消能池的共用底流消能效果無法得到充分體現(xiàn)。

2.2 流速特征

流速特征直接反映了消能池內(nèi)滲流場(chǎng)特征，對(duì)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，獲得了各方案時(shí)池內(nèi)斷面處流速變化特征，如圖8。

圖8 消力池內(nèi)流速特征變化

分析流速變化可知，5種底流消能設(shè)計(jì)方案中流速變化呈顯著“分水嶺”特征，當(dāng)水平分水墻高度低于6.0 m時(shí)，其流速呈“上凸”二次函數(shù)曲線形態(tài)變化，高度2.0 m、4.0 m、6.0 m方案中峰值流速均位于斷面3.0 m處。而在高度8.0 m、10.0 m時(shí)，池內(nèi)斷面流速具有“雙增”階段，在池內(nèi)斷面0.5～3.5 m處為一次增長(zhǎng)，平均增幅分別為8.3%、8.4%，而在斷面5.0～7.5 m上為二次增長(zhǎng)，該階段增幅弱于前一階段，但平均增幅仍維持在3.3%、3.5%，特別是在池內(nèi)出渠段仍具有較高流速水平，分別達(dá)7.7 m/s、9.2 m/s。兩種流速水平變化，均與水平分水墻設(shè)計(jì)高度有關(guān)，當(dāng)水平分水墻過高，雖可提高池內(nèi)動(dòng)水勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，水體動(dòng)能提高，流速增大，但也會(huì)在池內(nèi)尾渠段出現(xiàn)過高的流速，導(dǎo)致出流水力勢(shì)能過大，對(duì)下游水工建筑產(chǎn)生較大動(dòng)能沖擊[10，13]。

對(duì)比流速水平量值可知，水平分水墻高度與之具有正相關(guān)關(guān)系，且該變化關(guān)系在任一池內(nèi)斷面上均滿足，如斷面2.0 m處水平分水墻高度6.0 m、8.0 m、10.0 m下流速較之高度2.0 m時(shí)分別提高了63.8%、84.7%、115.5%。總體上來看，分水墻高度每遞增2.0 m，則池內(nèi)斷面平均流速可增大33.5%。池內(nèi)流速過高或過低，均不利于消能池底部消能，確保消能池內(nèi)流速處于較高水平，且水流較穩(wěn)定，才是底部消能設(shè)計(jì)的最終目的，結(jié)合模型試驗(yàn)宏觀觀測(cè)與流速變化，水平分水墻高度6.0 m時(shí)滲流場(chǎng)特征較為合理。

3 消能池運(yùn)營(yíng)特征

為研究消能池運(yùn)營(yíng)特征，在閘門全開泄流量720 m3/s工況前提下，增設(shè)一校核工況泄流量為920 m3/s的對(duì)比研究組，分析典型水平分水墻高度方案下池內(nèi)水位變化特征，如圖9所示。

圖9 池內(nèi)水位變化特征

從圖9中可知，不論泄流量為何值，6種方案下池內(nèi)水位變化均歷經(jīng)了“穩(wěn)定-陡降-穩(wěn)定”的三階段變化；當(dāng)泄流量為720 m3/s時(shí)，水平分水墻高度2.0 m方案下池內(nèi)峰值水位為0.65 m，同斷面處高度6.0 m、10.0 m下水位為0.71 m、0.78 m，而在峰值水位后即出現(xiàn)水位的陡降變化，三個(gè)高度方案下水位降幅分別達(dá)78.9%、22.6%、45.5%。整體上來看，在該泄流量工況下，分水墻高度2.0 m、10.0 m時(shí)池內(nèi)水位的變幅最大，且在池尾渠處水位也較高，而高度6 m方案下水位變幅最大集中在陡降段，全斷面水位控制較合理。當(dāng)泄流量增大至920 m3/s后，分水墻高度2.0 m、10.0 m方案下水位變幅進(jìn)一步加大，水位陡降段降幅可達(dá)88.9%、53.7%，而分水墻高度6.0 m時(shí)降幅接近前一泄流量工況，且在高泄流量工況下，池內(nèi)上、下游水位穩(wěn)定性均高于分水墻高度2.0 m、10.0 m時(shí)的情況。從試驗(yàn)結(jié)果分析，表明水平分水墻高度6.0 m時(shí)消能池內(nèi)水位在高、低泄流工況下均較穩(wěn)定，抗動(dòng)水勢(shì)能沖擊效果較優(yōu)，可滿足溢洪道共用底流消能的目的。

4 結(jié) 論

(1)無分水墻時(shí)動(dòng)水壓強(qiáng)量值最高，且在池內(nèi)斷面上呈穩(wěn)定遞增；分水墻高度在2.0～6.0 m時(shí)，池?cái)嗝鎵簭?qiáng)呈“遞增-遞減-穩(wěn)定”三階段變化，而在高度8.0 m、10.0 m方案下呈“遞增-遞減-二次增幅”變化，造成池尾段出水穩(wěn)定性欠佳；墻高每增大2.0 m，則池內(nèi)動(dòng)水壓強(qiáng)均值可減少21.9%。

(2)分水墻高度低于6.0 m時(shí)，流速呈二次函數(shù)“單峰值”特征，而在超過6.0 m后具有二次增幅段，出渠段流速仍維持較高水平；水平分墻高度與流速為正相關(guān)，高度每遞增2.0 m，則池內(nèi)斷面平均流速可增大33.5%。

(3)消能池運(yùn)營(yíng)特征表明分水墻高度6.0 m時(shí)池內(nèi)水位控制較合理，水位陡降段弱于高度2.0 m、10.0 m；泄流量增大，墻高度6.0 m方案下水位控制穩(wěn)定性與低泄流量下一致。

(4)結(jié)合消能池水力特征與運(yùn)營(yíng)特征，底流消能方式下水平分水墻高度6.0 m方案抗動(dòng)水勢(shì)能、降能排沖穩(wěn)定性均較佳。